下穿通道明挖基坑对下卧地铁盾构隧道影响分析

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430010）

摘要：基坑开挖对下卧地铁盾构隧道有明显的影响。宁波某立交下穿匝道明挖基坑位于宁波轨道交通二号线盾构隧道上方，坑底距隧道顶的最小距离仅为有限元数值分析,对实际施工工况进行模拟,计算结果表明坑内加固后基坑开挖不会造成下卧隧道过大隆起，出相应的设计、施工及监控控制措施。

关键词：基坑开挖；地铁隧道；变形控制；坑底加固；三维数值分析

1 引言 地铁作为现代城市公共交通命脉，其安全性极为重要。随着城市地下空间发展利用，越来越多的基坑工程骑跨在软土地基中已建地铁隧道上方，产生不良影响。影响因素主要表现在：

⑴基坑开挖土体卸荷使地铁隧道下部土体隆起，隧道随之隆起；

⑵由于软土特有流变特性，基坑开挖卸荷越快，基坑暴露时间越长，基坑的稳定性越低，对基坑下部隧道的安全就越不利；

⑶基坑工程降水引起地下水位的变化，地下水浮力随之而变也会引起地铁隧道隆起； ⑷临近基坑工程地面道路行驶车辆的动载、场地施工机械和材料的静载等，会增大基坑下方地铁盾构隧道隆起量。基坑开挖是典型的三维问题，采用ANSYS、Midas/ GTS、FLAC3D、同济曙光Geo FBA等有限元程序，进行三维弹塑性有限元分析已有多项工程应用实例下方已贯通地铁隧道的影响进行数值模拟分析,并提出相应的设计、施工及监控控制措施。

2 工程概况 宁波市某立交位于栎社机场附近，总体布置为三层，受机场跑道飞机起降净空限制，位于最下层的SW匝道采用下穿通道形式由南向西穿越宁波轨道交通二号线盾构隧道上，其平面关系如图9m，基坑宽度10.4m坑底加固采用高压旋喷桩地铁盾构区间分左、8.5m。采用Midas/ GTS对已建地铁盾构隧道隆起位移进行三维弹塑性基坑工程开挖土体卸荷势必对下卧地铁隧道[1]

利用有限元法处理弹塑性、非均质和复杂边界问题的突出优点，[2] [3] ，本文结合宁波某立交下穿匝道明挖基坑工程实例，34省道及其他交叉匝道，1所示。SW结构采用“上部3m放坡、下部钻孔灌注桩，格栅状布置，基坑底标高-6.94m，围护距25m，盾构隧道平面与下穿通道基本- 1 - 对位于基坑工程在34省道南侧骑跨在+高压旋喷桩止水垂直，盾构并提 -14m右线

匝道按照双车道匝道布置，净宽，围护帷幕”，

结构钻孔灌注桩桩底标高。右线布置，线间左、与下穿通道平面交点对应下穿通道桩号分别为：SW0+497.299、SW0+469.795，交叉处盾构隧道顶板在下穿通道围护结构钻孔灌注桩以下约4.5m，其立面关系见图2所示。 图1 轨道交通2号线区间与SW下穿通道平面位置关系图 图2 轨道交通2号线区间与SW下穿通道竖向位置关系图 根据两个项目施工进度，SW下穿通道本应先于地铁盾构隧道实施，但由于管线迁移滞后，该区段地铁盾构先于下穿通道贯通，这样下穿通道明挖基坑土体卸荷势必对下卧地铁盾构隧道产生不良影响，需经过施工模拟计算并结合工程经验提出技术措施保证地铁盾构隧道的结构安全。施工模拟计算采用Midas/ GTS有限元程序进行数值分析。 - 2 - 3 三维数值计算及分析 3.1盾构隧道保护控制标准 地铁对隧道的变形要求极其严格，结合文献[4]及地方规定制定控制标准如下： ⑴沉降、隆起不得超过20mm，水平位移不得超过20mm； ⑵隧道变形曲线曲率半径应大于15000m； ⑶隧道相对曲率应小于1/2500。 3.2有限元计算模型 本文主要研究基坑工程对下卧已建地铁盾构隧道隆起位移问题，所以遵循连续介用小变形分析理论进行数值模拟是适宜的，采用Midas/ GTS对所选取的里程断面采用施工分析模拟基坑的开挖过程，分析上部基坑开挖对盾构隧道沉降及隆起的影响，可对其弹塑性有限元数值分析的可靠性和计算精度提供有力的保证。 ⑴计算假定及简化 ① 假设隧道位移与土体位移相容。地铁隧道局部结构刚度比土体大很多，但而言，长段隧道的整体变形刚度较小，接近其影响土层的刚度，在小变形的情况下工程实场实测结果表明[5]，地铁隧道位移和土层位移基本一致，满足位移相容假设。 ②为减少计算量，将盾构隧道方向与基坑纵向近似为垂直正交。 ⑵模型边界条件 根据弹性力学厚壁圆筒理论、有限元原理和工程经验，基坑开挖对周围土体和建的区域大致为3～5倍开挖宽度，选取有限元模型的纵向(Y向，沿盾构隧道走向)向(X向，沿下穿匝道走向)长度为52m，基坑开挖深度约10m，数值计算模型总高度型整体尺寸为52m×60m×40m(X×Y×Z)。 图3有限元模型网格 模型中土体采用四面体实体单元模型，基坑围护桩(等效为一定厚度的墙体)采用混凝土支撑和钢支撑用梁单元模型，盾构隧道管片采用板单元模型。模型边界采用中地面支撑边界，程序自动约束土体的边界。数值模型见图3所示。 - 3 - 质假设，运阶段柔性衬砌践及现筑物的影响为60m，横为40m，模元模型，MIADS/GTS对于长度板单⑶模型岩土工程参数及结构参数选取 模型中岩土和结构部分的具体参数见表1和表2所示： 表1 模型中岩土土层参数 分类 填土① 粘土② 淤泥质粉质粘土④ 粉质粘土⑤ 粘土⑥

重度(kN/m)

18 19 17 20 22

3

弹性模量(MPa)

20 50 50 100 125

粘聚力(kPa)

16 12 17 36 45

摩擦角(度)

11 12 10 15 18

表2 模型中结构参数 分类 混凝土支撑 钢支撑 等效墙体

3.3有限元计算 几何属性(m) 0.9×0.8 φ0.609，厚t=0.014

厚1m

重度(kN/m)

25 78.5 25

3

弹性模量(MPa)

30000 210000 30000

⑴计算工况 数值模型中施工工况模拟步骤如表3所示： 表3 MIDAS/GTS 模拟开挖施工步骤 施工步骤 第一施工阶段 第二施工阶段 第三施工阶段 第四施工阶段 第五施工阶段 第六施工阶段 第七施工阶段 施工描述 地应力平衡 盾构隧道开挖 施工围护结构及坑底加固 第一次开挖+第一道混凝土支撑 第二次开挖+第二道钢支撑 第三次开挖+第三道钢支撑 第四次开挖 ⑵计算结果

图4、图5为上部基坑开挖引起的土体竖向、水平向位移云图。基坑开挖引起的基坑底部最大隆起量(DZ)为8.600mm，基坑最大水平位移(DY)为0.787mm。

- 4 - 图4 总体模型土体竖向位移云图(变形+未变形) 图5 总体模型土体水平位移云图(变形+未变形)

图6、图7为上部基坑开挖引起的下卧盾构隧道竖向、水平向位移云图。基坑开挖引起的下卧盾构隧道拱顶的最大隆起量(DZ)为3.182mm，最大水平位移为(DX)为0.433mm。 图6 盾构隧道竖向位移云图(变形+未变形) 图7 盾构隧道水平位移云图(变形+未变形) L隧道变形曲率半径经验公式R=()2/δmax

4其中: L-沉降范围，在数值计算结果中可得到沉降范围L=50m；

δmax-沉降最大值，根据前述数值计算结果取δmax=3.182mm。

L2502)/δmax=()/0.003182代入公式得： 44=49104m≥15000mR=(（满足控制标准要求）

隧道相对曲率： K=1/7482≤1/2500(满足控制标准要求) 3.4结论 对下穿匝道基坑底部以下土体5m范围土体进行加固后，下卧盾构隧道管片的最大隆起量为3.182mm<20mm，最大水平位移为0.433mm<20mm；隧道变形曲率半径R=49104m≥15000m；隧

道相对曲率K=1/7482≤1/2500；满足前述地铁盾构隧道保护控制标准。 - 5 - 4 设计调整与施工、监控控制措施 4.1设计调整 ⑴为减少上部土方开挖卸载量及缩短施工时间，取消上部3m放坡，将围护桩桩顶伸至地面； ⑵此范围基坑底部5m地基旋喷桩加固由格栅布置改为满堂布置，喷浆压力＜20MPa； ⑶施工降水深度由基坑下0.5m增加至基坑下2m。 图8 下穿匝道围护结构4.2施工控制措施 ⑴基坑开挖过程中掌握好“分层、分步、对称、平衡纵向分段、先支后挖”的施工原则。先开挖与地铁盾构隧道相交浇筑完成后，再按序号依次开挖相交范围内的基坑（2、3、- 6 - 面图 ”五个要点，遵循“竖向分层、范围以外的基坑（1区），待底板4区）。开挖顺序见下图。

横剖、限时⑵施工时动速度应小于4.3监控措施基坑开挖实施全⑴报警值①当监测到止施工，采取②当监测到⑵监测内容①围护结构桩顶最大水平位②围护结构和土体墙体最大水平位移小于3mm③坑外地表④支撑轴⑤地下水位：水位变化⑥土体分层⑦监测频5 小结 通过下穿通道明挖基坑对图9 盾构隧道上方基坑开挖施工顺序图在盾构隧道上方及两侧10m范围内堆放过程信息化监控，严格控制地表变形、盾构达到5mm时，应及时报警措施； 速率达到3mm/天时，应及时频率

部的沉降与位移： 移0.14%H×90%（H：开挖深度），速率测斜（沿深度方向每米1个点）： 移0.15%H×90%，速率2mm/d（连续两降：0.14%H×90%，速率2mm/d（连续两80％（第一道支撑630KN，第累计值500mm；

降：盾构区间隧道所在地层＜5mm； 3次/天。 既有下卧地铁盾构隧道影响的有限元数值分析- 7 - 下穿通道施工区间结构变形和渗漏，变形量达到10mm报警。 2mm/d（连续2天）；天），盾构区间隧道所在土层水平位天）； 支撑557KN，第三道可得到以期间振。 即停580KN）论： 严禁材料及大型机械；3cm/s。 情况 盾构隧道的变形量时，应立应急盾构隧道的变形及顶 ； 沉力：设计值的二道支撑 沉率：下结⑴基坑开挖对下卧地铁盾构隧道有较明显的影响。基坑开挖卸荷使土体发生变位,带动隧道产生位移，由于隧道相对土层的刚度较大,隧道的变形以刚体变位为主, 且体现为竖向上抬； ⑵基坑坑底地基加固后基坑开挖引起的下卧地铁隧道位移＜20mm的控制值，安全可行； ⑶本次数值模拟过程，仅计算了通过对坑底5m范围土体进行旋喷桩加固情况下盾构隧道的变形，在实际工程应用中，可通过降水使地基土固结，同时采取了分层分步开挖、土方跳仓抽条开挖、浇注抗拔桩等一系列措施进一步控制地铁盾构隧道的变形，数值计算结果偏安全；

⑷对基坑工程下卧地铁隧道变形进行三维弹塑性数值模拟，计算结果比较合理、安全，但如何在计算模型中考虑基坑开挖的时空效应、降水引起的软土固结等因素，需进一步研究。 [6]

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